党参挖掘装置设计与试验.pdf
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1、引用本文格式范 耀 华,崔 清 亮,张 燕 青,等 党 参 挖 掘 装 置 设 计 与 试 验 J 农 业 工 程,2023,13(6):83-89 DOI:10.19998/ki.2095-1795.2023.06.014 FAN Yaohua,CUI Qingliang,ZHANG Yanqing,et alDesign and test of Codonopsis pilosula excavation deviceJAgricultural Engineering,2023,13(6):83-89党参挖掘装置设计与试验范耀华,崔清亮,张燕青,李光,陆佳新,赵志宏(山西农业大学农业工程学
2、院,山西 晋中 030801)摘要:针对现有党参人工挖掘方式挖掘效率低、挖掘成本高的问题,基于人体仿真学,设计了一种四杆机构党参挖掘装置。通过 Proe 建立三维简化模型,采用离散元仿真软件 EDEM 和多体动力学软件 ADAMS 建立土壤党参挖掘装置简化模型。通过 ADAMS_EDEM 进行仿真挖掘试验,得出阻力较小时的转速和入土角范围。采用 SAS 软件对转速和入土角进行最优平衡随机设计试验,并进行土槽挖掘试验验证。仿真结果表明,较佳入土角 7580,较佳转速 6090 r/min。土槽挖掘试验结果表明,当转速和入土角为 70 r/min 和 75时,挖掘机构党参挖松率最高为 97.94%
3、,损伤率为 4.52%;次之组合为 60 r/min 和 75时,党参的挖松率为 96.62%,损伤率为 5.7%。关键词:党参;挖掘装置;运动仿真;土槽试验中图分类号:S224.22文献标识码:A文章编号:2095-1795(2023)06-0083-07DOI:10.19998/ki.2095-1795.2023.06.014Design and Test of Codonopsis pilosula Excavation DeviceFAN Yaohua,CUI Qingliang,ZHANG Yanqing,LI Guang,LU Jiaxin,ZHAO Zhihong(College
4、 of Agricultural Engineering,Shanxi Agricultural University,Jinzhong Shanxi 030801,China)Abstract:In order to solve problems of low efficiency and high cost of Codonopsis pilosula manual excavation,a four-bar mechanismCodonopsis pilosula excavation device was designed based on human simulationSimpli
5、fied model of soil-Codonopsis pilosula excava-tion device was established by means of Proe,simplified model of soil-Codonopsis pilosula-excavation device was established bymeans of discrete element simulation software EDEM and multi-body dynamics software AdamsThrough ADAMS_ EDEM conductssimulation
6、excavation experiments,range of rotational speed and soil entry angle was determined when resistance was lowSAS soft-ware was used to carry out optimum balance random design test for rotational speed and soil entry angle,and soil trench excavation testwas verifiedSimulation results showed that the b
7、etter range of earth angle was from 75 to 80The optimum speed range was from 60r/min to 90 r/minExcavation test results showed that when the best combination was 70 r/min and 75 by final analysis,loosing rate ofcodonopsis pilosula was 97.94%,damage rate was 4.52%The next was 60 r/min and 75,loosenin
8、g rate was 96.62%and damage ratewas 5.7%Keywords:Codonopsis pilosula,excavation device,motion simulation,soil tank tes 0引言党参是多年生草本植物,桔梗科党参属,生长于海拔 1 5603 100 m 的山地林边及灌木丛中1。由于党参具有较高的药用价值,种植成本低,环境适应能力强,近年来种植面积不断增加。现阶段党参收获机按照机械化程度分半机械化和全机械化两类。半机械化党参收获机主要以手扶拖拉机为动力输出,挖掘工具为固定铲和振动铲,通常只能实现挖掘功能,后续还需人工挑拣。这种机具具
9、有机械程度低、人工成本高、效率低下、收获时间长及劳动强度大等缺点2-5。全机械化党参收获机将挖掘装置、传送分离装置和收集装置集于一体,能实现从挖掘到参土分离再到收集的全部作业过程,工作效率高,作为大型农业机具适用于平原大地块作业。山西省长治市平顺县属于太行山脉,党参多种植在山地丘陵地带,目前使用铲式挖掘装置和人工挖掘两种方式。铲式挖掘装置在挖掘过程中能够达到深度要求,但参土 收稿日期:2022-12-05修回日期:2023-02-20作者简介:范耀华,硕士生,主要从事农业机械化工程研究E-mail:崔清亮,通信作者,教授,主要从事旱作农业机械化关键技术与装备研究E-mail:第 13 卷 第
10、6 期农业工程Vol.13No.62023 年 6 月AGRICULTURAL ENGINEERINGJun.2023分离效果较差、入土阻力较大、雍土现象严重,无法达到理想挖掘效率6。针对上述问题,设计一种模拟人工挖掘党参过程的挖掘装置,为党参挖掘机的设计提供理论依据和技术支撑。1挖掘装置整体结构 1.1结构组成挖掘装置整体结构主要由悬挂、机架、挖掘机构和传动机构等组成,如图 1 所示。1.传动装置2.摇臂架3.机架4.悬挂装置图 1党参挖掘装置结构Fig.1 Codonopsis pilosula excavation test device 采用模拟人工挖掘的方式对党参进行挖掘,挖掘工具由
11、铲式改为叉式,并且使挖掘机具小型化,解决了山地丘陵地区的人工挖掘缺点。叉形结构入土阻力更小,破土能力强,提高了挖掘效率,本装置的伤参率远低于铲式挖掘装置的伤参率。1.2机构运动学分析连杆机构在农业机械和工程机械中得到广泛应用,采用曲柄连杆机构,建立直角坐标系如图 2 所示,各个杆形成闭合矢量方程,此方程可以用式(1)表示7。l1+l2 l3 l4=0(1)将矢量方程改为沿 x 轴和 y 轴的投影方程式,即l1cos1+l2cos2=l4cos4+l3cos3(2)l1sin1+l2sin2=l4sin4+l3sin3(3)sin22+cos22=1(4)bsin1+acos1=c(5)a=2l
12、1(l4cos4+l3cos3)(6)b=2l1(l4sin4+l3sin3)(7)c=l24+l23+l21+2l3l4cos(43)l22(8)tan32=a+a2+b2c2bc(9)计算得出 2和 3的值。确定初始状态 A、B、C、D 的 4 点坐标。杆 BE 长为 l5,与 x 轴的夹角为 5,向量 BC 与 x 轴的夹角为 6,E 点坐标(xe,ye),C 点(l4cos4+l5cos3,l4sin4+l3sin3),则 向 量 BE=(l5cos5,l5sin5),向 量 BC=(l4cos4+l3cos3+l6cos6,l4sin4+l3sin3+l6sin6)得出 E 点的坐标
13、式,即xe=l4cos4+l3cos3+l2cos6+l5cos5(10)ye=l4sin4+l3cos3+l2sin6+l5sin5(11)党参挖掘深度为 2025 cm,达到挖深同时要求结构 质 量 最 小,确 定 各 个 杆 长 度 比为 l1l2l3l4=1.03.51.53.5,各个杆长基本尺寸为 l1=100 mm、l2=350 mm、l3=150 mm 和 l4=350 mm。轨迹如图 3 所示,点的轨迹深度约为 250 m。图 3四杆机构轨迹Fig.3 Trajectory of four-bar mechanism 1.3主要结构采用曲柄连杆机构,结构如图 4 所示,主要由挖
14、掘叉、驱动杆、摇杆摆臂和轴承座等部件组成。其尺寸主要参照党参收获农艺确定,结构尺寸如表 1 所示。图 2四杆机构坐标系Fig.2 Four-bar mechanism coordinate system 84 农业工程设计制造与理论研究 1.曲柄2.连杆3.摇杆4.机架5.驱动杆图 4曲柄连杆党参挖掘机构Fig.4 Codonopsis pilosula excavation device with crank andconnecting rod 表 1党参挖掘机构结构参数Tab.1 Structural parameters of Codonopsis pilosula excavation
15、 device项目参数/mm曲柄长度 l1100连杆长度 l2350摇杆长度 l3130180机架长度 l4350叉尖到曲柄和连杆连接处长度 l5310 当切削入土角60时,根据物体的力学模型,对土壤微粒 A 进行力学分析,简化土壤微粒受力模型如图 5 所示。图 5土壤微粒剪切模型Fig.5 Soil particle shear model 在土壤微单元 A 上作用一水平力 F,使 A 沿与水平面倾斜角为(90)的斜面上升,则必须满足tan FGF+G(12)若已知 F、G 和 即可由式(12)求出对应角的最大值。当 取最小值时,取最大值。查阅可知,土壤和钢摩擦系数的最小值为 0.35,则此
16、时 最大为 70.7。实际试验中,当入土角取 60时,土壤受到切削力变成挤压力,增大挖掘阻力,不利于挖掘8。确定最小入土角为 70,在 ADAMS 中建立参数化四杆机构,保持机架、连杆和曲柄长度不变,改变摇杆长度,计算不同入土角时的摇杆长度。入土角为 70、75和 80时,入土深度在最低点为410 mm,如图6 所示,杆长分别为130、155 和180 mm。确定主要杆长参数如表 2 所示。图 6摇杆长为 130 和 180 mm 时E点轨迹Fig.6 Trajectory of point E when joystick length is 130 mm and180 mm respecti
17、vely 表 2杆长参数Tab.2 Rod length parameter入土角/()驱动杆/mm机架/mm连杆/mm摇杆/mmBE/mm701003503501303107510035035015531080100350350180310 2离散元模型建立 2.1模型建立成熟党参外形多呈圆柱型,取 8 根成熟党参,分别测量其长度和外径,通过计算取平均值。为简化模型,将党参外形简化为圆柱模型。简化后的党参模型为圆柱型,直径为10 mm,长度为210 mm,如图7 所示。图 7党参测量和离散模型Fig.7 Measurement and discrete models of Codonopsi
18、s pilosula 查阅相关文献,将土壤原型颗粒半径设为 4 mm9。根据随机正态分布,生成颗粒半径范围为原型土壤颗粒的 0.71.0 倍10。设置其颗粒之间的算法为 Hertz-Mindin with JKR 型,黏结能量设置为 10 J。土壤模型如图 8 所示。2.2仿真模型参数确定通过试验和查阅相关文献,确定材料参数和物料 范耀华等:党参挖掘装置设计与试验 85 间接触模型参数,如表 3 和表 4 所示11。表 3材料属性Tab.3 Material properties材料泊松比剪切模量/GPa密度/(kgm3)土壤0.351002 550Q235B0.307 0007 800党参0
19、.305.9882 表 4材料间接触参数Tab.4 Contact parameters between materials项目静摩擦因数滚动摩擦因数恢复系数土壤土壤0.540.310.05土壤Q235B0.400.500.05土壤党参0.520.400.05Q235B党参0.620.370.05党参党参0.540.220.05 3仿真分析 3.1耦合仿真模型建立利用 Proe5.0 建立挖掘仿真模型,然后将模型转换成“.step”格式,将模型分别导入到 ADAMS 和 EDEM,建立党参土壤挖掘机构简化模型,如图 9 所示12-17。3.2试验方法采取单因素试验设计,土槽试验台车速为 0.2
20、 m/s,模型前进速度为 0.2 m/s,挖掘过程如图 10 所示。驱动杆转速分别为 60、90、120 和 150 r/min,入土角为 70、75和 80,以挖掘叉的入土阻力为试验指标,一共组成 12 组试验,如表 5 所示。前处理模型生成后,打开 ADAMS 耦合接口,进行挖掘工作模拟仿真。挖掘叉能够将党参挖掘出来,同时将土壤后抛,降低挖掘叉入土后的阻力,起到一定的松土作用,能够保证在挖掘过程中减少土块,其挖掘工作过程如图 9 所示。3.3试验结果分析为了减少计算量,本文研究挖掘叉从开始接触土壤到完全进入土壤时的阻力。挖掘叉开始接触土壤到完全进入土壤后,所受阻力逐渐增大,完全进入土壤后,
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